PropiedadesmecánicasI:

Ensayodetracción

CampsCastellanos,Pere

MontllorRamoneda,Marcel

RomeroNogués,Guillermo

VeraPalou,Agustí

2

Índice

Introducción..................................................................................................................................3

Objetivos.......................................................................................................................................5

Metodologíaexperimental...........................................................................................................5

Materialesyequipo..................................................................................................................5

Procedimiento...........................................................................................................................5

Resultados.....................................................................................................................................6

Conclusiones...............................................................................................................................11

Bibliografía..................................................................................................................................12

3

Introducción

Laspropiedadesdelospolímerostienenunagrandependenciaconrelaciónalatemperaturayvelocidaddedeformación.Esoesdebidoaque lospolímerospresentanuncomportamientomecánicodetipoviscoelástico,queestáoriginadoporlanaturalezamacromoleculardeestos.Las conformaciones espaciales de lasmoléculas de los polímeros experimentan relajacionescausadaspor sugranpesomolecular y la velocidaddeestasdependede la temperatura. Lavelocidad a la que se realice un ensayo influirá notoriamente en las propiedades de losmateriales plásticos. A velocidades moderadas, las moléculas pueden sufrir cambiosestructuralesysepuedenorientarenladireccióndelesfuerzoaplicado,dandocomoresultadounamayortenacidadyductilidadqueavelocidadesdeensayomásaltas.

Además, las propiedades mecánicas de los plásticos cambian rápidamente con pequeñasvariacionesenlatemperatura.

Cuando la temperaturaaumenta,seexpandegradualmenteelmaterial, loqueresultaenunaumentodel volumen libreyenundebilitamientode las fuerzasdecohesióndelmismo.Esdecir,cuandoseaumentalatemperaturalaresistenciayelmódulodisminuyenmientrasquelaelongaciónaumenta.

El estudio de propiedades mecánicas se refiere básicamente a la respuesta de un materialcuando se le aplica un estímulo mecánico externo. El ensayo que se va a realizar en estapráctica (tracción o estiramiento uniaxial) se puede obtener información sobre la rigidez,resistencia, ductilidad y tenacidad del material, determinando el módulo de elasticidad,tensióndefluenciamáxima,alargamientohastaroturaydensidaddeenergíaabsorbidaenelproceso.Parahacerlo,lamáquinamesuraráelvalordelafuerzanecesariaparacadavalordedeformación.

Posteriormente con los datos proporcionados por el monitor podremos trazar una curvadondeelejedelasXmuestraladeformacióndelmaterialyelejedelasYlatensión.

Es importante tener en cuenta que no se trabaja directamente con la fuerza medida y eldesplazamientoacumulado.Setrabajacontensiónaplicadaydeformaciónproducida.

σ=F/A

dondeAeseláreadelaseccióntransversalenladireccióndelafuerza.

4

ε= 𝒍!𝒍𝟎𝒍𝟎𝒙𝟏𝟎𝟎

dondeεesladeformaciónen%,llalongitudencadainstanteyl0lalongitudinicial.

Conlosdatosproporcionados,podremoshacerlasgráficasdetensióndeformaciónparacadatipo de polímero y cada velocidad. El módulo elástico lo calcularemos mediante unaaproximaciónderectaa lapartelinealdelgráfico.Usaremoslaregresiónlineal.Elpendientedelarectaquehallemosseráelmóduloelástico.

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Objetivos

Evaluarelcomportamientomecánicodedospolímerostermoplásticosadistintasvelocidadesytemperaturasdeensayo.

Metodologíaexperimental

MaterialesyequipoParalacorrectarealizacióndeestaprácticasenecesitaran:probetasconlaformadehalteriodelossiguientesmateriales:

-Polipropileno(PP)

-Poliestireno(PS)

Losequiposnecesariosparapoderrealizarlaprácticason:

-Máquinadeensayosuniversalesconcéluladecargade10kN

-Mordazadetracción

-Piederey

ProcedimientoEnprimerlugar,ydespuésdeescucharelseminario,utilizaremoselpiedereyparamedirelespesor,longitudyanchuradelasprobetasqueposteriormentesesometeránalosesfuerzosdetracción.Seguidamentesecolocaranlasprobetasentrelasmordazasdelamáquinadetracción.Nosaseguraremosquequedenbiensujetasyverticales.

Serealizaranuntotalde4ensayos:

1.EnsayodelPPa5mm/min

2.EnsayodelPPa200mm/min

3.EnsayodelPSa5mm/min

4.EnsayodelPSa200mm/min

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Resultados:Primerovamosadefinirlascaracterísticasnecesariasdelasprobetas:

Longitud(mm) Anchura(mm) Espesor(mm)PP 80 10,3 4,4PS 80 10,4 4,5

Ennuestrocasolasáreasserán:

ÁreaPP:45,32mm3

ÁreaPS:46,8mm3

CalcularemoselmódulodeelasticidaddeYoung,latensióndefluencia(σy),latensiónmáxima(σmax),latensiónderotura,ladeformaciónhastarotura(εr)yladensidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U).

ParacalcularelmódulodeYong,calcularemoslapendientedelarectaderegresióndelazonaelástica.

Paracalcularlatensióndefluenciavisualizaremoselpuntoenque,despuésdellímiteelástico,conpequeñasvariacionesdelatracciónlaelongaciónaumentamucho.

Tambiénvisualizaremoslatensiónderoturayladeformaciónhastarotura.

Finalmente,paracalcular ladensidaddeenergíaabsorbidahabríaqueintegrarnuestracurvadesde0hastaladeformaciónmáximaalaquesehallegado.Envezdeesto,aproximaremoslacurvaaunpolinomiode4ogradoeintegraremos.

7

1. EnsayodelPPa5mm/minybajatemperatura:

Módulodeelasticidad(E):875,74MPa

Tensióndefluencia(σy):25,563MPa

Tensiónmáxima(σmax):40,779Mpa

Tensiónderotura(σr):20,37MPa

Deformaciónhastarotura(εr):0,383

Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):11,7955MPa

𝑦 = −7856,5𝑥! + 10387𝑥! − 4645,5𝑥! + 738,68𝑥 + 4,4088

(−7856,5𝑥! + 10387𝑥! − 4645,5𝑥! + 738,68𝑥 + 4,4088) 𝑑𝑥!.!"!

!= 11,7955

y=-7865,5x4+10387x3-4645,5x2+738,68x+4,4088

y=875,74x+1,3131R²=0,99021

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Tracción

(MPa

)

Deformación(%)

PPa5mm/minybajaT

ValoresSecciónrectaPolinómica(Valores)Líniadetendencia

8

1.2.EnsayodelPPatemperaturaambientea5mm/min:

Módulodeelasticidad(E):391,81Mpa

Tensióndefluencia(σy):30,081Mpa

Tensiónmáxima(σmax):33,108Mpa

Tensiónderotura(σr):Nollegaarotura.

Deformaciónhastarotura(εr):Nollegaarotura.Sefinalizaelensayoconunadeformacióndemásel100%,concretamente1,143

Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):27,596Mpa

𝑦 = −336,88𝑥! + 827,56𝑥! − 658,63𝑥! + 175,94𝑥 + 16,471

(−336,88𝑥! + 827,56𝑥! − 658,63𝑥! + 175,94𝑥 + 16,471) 𝑑𝑥!,!"#

!= 27,596

y=-336,88x4+827,56x3-658,63x2+175,94x+16,471

y=391,81x+5,9293R²=0,9104

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Tensión(M

pa)

Deformación(%)

PPa5mm/min

Valores Secciónrecta Polinómica(Valores) Lineal(Secciónrecta)

9

2. EnsayodelPPa200mm/min:

Módulodeelasticidad(E):1209,3MPa

Tensióndefluencia(σy):40,602MPa

Tensiónmáxima(σmax):42,37MPa

Tensiónderotura(σr):Nollegaarotura

Deformaciónhastarotura(εr):Nollegaarotura.Sefinalizaelensayocuandoleelongaciónsuperael50%,concretamentehasta0,571.

Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):17,7881Mpa

𝑦 = −3868,4𝑥! + 5653,2𝑥! − 2793,1𝑥! + 477,13𝑥 + 17,618

(−3868,4𝑥! + 5653,2𝑥! − 2793,1𝑥! + 477,13𝑥 + 17,618) 𝑑𝑥!,!"#

!= 17,7881

y=-3868,4x4+5653,2x3-2793,1x2+477,13x+17,618

y=1209,3x+2,7457R²=0,9842

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Tracción

(MPa

)

Deformación(%)

PPa200mm/min

Valores Secciónrecta Polinómica(Valores) Lineal(Secciónrecta)

10

3. EnsayodelPSa5mm/min:

Módulodeelasticidad(E):1576,5MPa

Tensióndefluencia(σy):Nopresentafluencia

Tensiónmáxima(σmax):47,541MPa

Tensiónderotura(σr):46,12MPa

Deformaciónhastarotura(εr):0,031

Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):0,8049MPa

(Enestecasosóloseránecesariointegrarlarectaobtenida,puesnoexisteafluencia)

𝑦 = 1576,5𝑥 + 1,5292

1576,5𝑥 + 1,5292 𝑑𝑥 = 0,8049!.!"#

!

y=1576,5x+1,5292R²=0,9976

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

Tracción

(MPa

)

Deformación(%)

PSa5mm/min

Valors SecciónRecta Lineal(SecciónRecta)

11

4.EnsayodelPSa200mm/min

Módulodeelasticidad(E):1595,1

Tensióndefluencia(σy):Nopresentaafluencia

Tensiónmáxima(σmax):55,923MPa

Tensiónderotura(σr):55,526MPa

Deformaciónhastarotura(εr):0,037

Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):1,18664Mpa

(Enestecasosóloseránecesariointegrarlarectaobtenida,puesnoexisteafluencia)

𝑦 = 1595,1𝑥 + 2,5619

1595,1𝑥 + 2,5619 𝑑𝑥 = 1,18664!.!"#

!

y=1595,1x+2,5619R²=0,9953

0

10

20

30

40

50

60

-0,001 0,004 0,009 0,014 0,019 0,024 0,029 0,034 0,039 0,044

Tracción

(MPa

)

Deformación(%)

PSa200mm/min

Serie1 Secciónrecta Lineal(Secciónrecta)

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Conclusiones:

Una vez realizadas las pruebas y analizados los gráficos de las curvas obtenidas, nos damoscuentadelanotablediferenciaquehayentreestosdospolímeros.Esagrandiferenciasedebeprincipalmentealdistintogradodecristalizaciónquepresentan.Comomáscristalizado,máspequeño es el módulo elástico. También se aprecia la diferencia que presentan suspropiedades en función de la temperatura y de la velocidad de estiramiento. Pro lo querespecta al Polipropileno: si comparamos el comportamiento que presenta a la mismavelocidad (5mm/min) pero a diferente temperatura, vemos que a cuanto más se acerca latemperaturaasuTg(-20ºC)presentaunmóduloelásticomuysuperior,esdecir,esmásrígidoy llegaarotura,mientrasqueatemperaturaambiente,nolohace.Amismascondicionesdetemperatura (Tambiente), para una velocidad más grande se alcanzan módulos elásticossuperiores,perosinllegararotura.Esopuedeocurrirpuestoquelospolímerossemicristalinospermitenundesplazamientode loscristalesendirecciónde la fuerzadetracción.Podremosconcluirqueamayorvelocidadymenortemperatura,másrigidezymenordeformación.Estoes debido a que las moléculas dentro del polímero necesitan un tiempo para recolocarsedentrodelaestructuramolecular.

Por lo que respecta al Poliestireno, sólo se ha comparado su comportamiento a diferentesvelocidades.Alserunpolímerototalmenteamorfonopresentafluenciayelmóduloelásticoesbastanteparecidoa5mm/minya200mm/min.Subajacristalinidad leotorgaunmóduloelásticomuygrandeloqueconllevatambiénamásfragilidad.

Enconclusión,vemos lagran informaciónquenosproporcionan losensayosde traccióny loimportantes que pueden ser para determinar el futuro uso que le vamos a dar al materialconcreto. También hemos podido percibir las diferencias que presentan en cuanto apropiedades los polímeros dependiendo de su grado de cristalización, la velocidad dedeformaciónylatemperaturaalaqueestaban.

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Bibliografía:

- WilliamD.Callister(2009):Introducciónalacienciaeingenieríadelosmateriales.EditorialReverté,Barcelona.

- PropiedadesmecánicasI:Ensayodetracción.Cienciadelosmateriales,ESEIAAT-UPC.Terrassa.